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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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冷冻器官 没那么简单

2018-02-14 22:04:00

  想象一下,如果医生可以在冰柜中任意挑选肾脏、肝脏和心脏来进行拯救生命的行动,这将会是一种什么样的情景?但要实现这一美好愿景,又该克服多少困难和障碍呢?

  事实上,假如你需要一个新的肾脏、心脏或其他重要的器官,你不会有很多的选择机会,这是因为移植器官的供需之间存在着巨大的鸿沟。

  以2013年的美国为例,这年共实施器官移植手术26517例,但还有12万以上的患者在苦苦等候,原因其实很简单:没有足够的捐赠器官。更糟糕的是,取自捐赠者体内的器官无法长时间保存,目前最好的办法是,在略高于零摄氏度的条件下将捐献者的器官置于某种特殊溶液中,如此可以保存一至两天,但很可能因在这段时间里找不到与捐赠器官相匹配的患者而白白浪费掉。

  如果科学家能找到深度冷冻而不损伤器官的办法,就有可能将器官的保存期限延长到数周甚至数月。为此,美国奇点大学孵化实验室建立的慈善机构“器官保存联盟”,提供了数百万美元的奖金以激励人们从事这方面的研究。如果研究能够取得突破,未来做移植手术的外科医生,也许就可以方便地在冰柜中挑选合适的器官了。

  冷冻保护剂作用有限

  目前科学家已可成功冷冻保存少量人类细胞,比如将卵子或晶胚(人尚未成形时在子宫的生命形式)浸在一种冷冻保护剂(低温保护剂)中,以防止冰晶形成、细胞撕裂以及致命的萎缩。遗憾的是,科学家在用更复杂的组织和器官进行实验时,发现它们更容易形成冰晶,造成损伤。一部分研究人员并未因此放弃,自然界的一些线索给了他们鼓舞和启发。例如,他们发现,南极有一种银鱼,也叫冰鱼,可在零下2摄氏度的寒冷水域中生存,它们体内的抗冻蛋白(AFPs )可降低体液的冰点,并与冰晶结合阻止其在体内蔓延。研究人员将老鼠心脏浸在含有银鱼抗冻蛋白的溶液中时,在零下几度的温度下老鼠活体可保存24小时。但在更低的温度下会产生相反的效果,导致刚崭露头角的冰晶形成锋利的尖刺,刺破细胞膜。研究人员在阿拉斯加的一种甲虫体内还发现了另一种能承受零下60摄氏度低温的防冻化合物,这可能具有更大的实用价值。

  但光靠防冻剂成分本身还不行,因为冰冻还会通过影响体液的流动破坏细胞。冰在细胞之间的空隙内形成后,体液体积会减少,溶解盐和其他离子的浓度则会提高,细胞中的水分会被迫流出,最后导致细胞皱缩,死亡。

  用于卵子和胚胎的冷冻保护剂——甘油等化合物可以取代水,预在细胞内形成冰晶,还有助于防止细胞皱缩和死亡。但缺点也显而易见,这些化合物对于其他一些机体组织和器官起不到同样的作用。冰晶更容易渗进这些机体组织的细胞组织内,即使细胞能保存下来,细胞之间空隙形成的冰晶也会破坏维持器官功能的细胞外结构。

  玻化技术前景可观

  解决冰晶危害的方法之一是及早阻止其发生。科学家开发的一种“玻化”技术,可将冷冻组织变成无冰的玻璃状物质。这一方法已被一些生育诊所采用,在复杂组织的冷冻保存中玻化技术也取得了一些令人鼓舞的成果。

  例如,2000年,美国南卡罗来纳州查尔斯顿细胞和组织研究机构的迈克·泰勒和他的同事玻化的一段5厘米长的兔子静脉血管,在加温后恢复了大部分功能。两年后,美国加利福尼亚州一家低温保存研究公司“21世纪医学”的格雷格·费伊和他的同事也取得了重大的突破,他们玻化的兔子肾脏在保持零下122摄氏度10分钟之后,解冻移植到一只兔子身上,这只兔子存活了48天后被解剖研究。

  “这是重要器官冷冻保存后移植存活的首次尝试,”费伊说,“证明了器官冷冻保存是可行的。”但这个经过冷冻保存的肾脏,功能显然不如健康的肾脏,主要原因是器官内的髓质吸收冷冻保护剂的速度太慢,这意味着在解冻过程中还会形成一些冰。之后,费伊团队的研究取得了更进一步的成果,在2013年低温生物学学会的年会上,费伊介绍了让髓质加速吸收冷冻保护剂的办法。

  尽管费伊对器官冷冻保存的前景表示乐观,但较大型器官的玻化仍然存在许多足以令人望而止步的挑战。

  首先,需要高浓度的冷冻保护剂,其浓度至少是常规冷冻剂的5倍。但如此高浓度的冷冻保护剂,对它们本应保护的细胞和组织反倒会有毒害作用。冷冻保存较大组织和器官的状况更糟,因为需要加载化合物的时间更长,冷却时间更慢,与毒素接触的机会也更多。此外,如果冷却过快,或温度过低,它们还有可能会出现裂隙和裂痕。

  其次,解冻是一个微妙的过程,会带来更多的障碍。如果玻化样本不能迅速升温、均匀升温,玻化会很快变成晶体化,则器官在“脱玻作用”的过程中又会发生开裂。“这是一个我们目前还无法应对的挑战,受到无法快速匀质解冻的制约。”明尼苏达大学的低温生物学家约翰·比斯科夫说道。

  寻找控制冻融的途径

  发展器官冷冻技术需要依赖反复试验。在对溶液和冷冻解冻的组合方式进行测试中,可利用新技术观察冰在细胞和组织内的行为。如果能够详细了解这一过程,就有望设计出更有效的方法来控制它们。

  例如,宾夕法尼亚州维拉诺瓦大学的延斯·卡尔森,利用一种可获得较大组织高分辨率全色热成像的新设备,录下了冰穿透紧密相连两个细胞之间的小囊,然后促使形成结晶的一段超慢动作显微视频。通过这个视频,研究人员可以更好地观察了解冷冻过程。

  研究人员试图找出控制冻融过程的方法,而不是依靠玻化作用来冷冻保存器官。通过计算机模拟冷冻过程,可进行数以百万计的有效测试。“我们需要这些先进工具来加速进展。”卡尔森说道。

  目前无冰低温技术可用于保存一些较小的组织,如一段血管。“人类器官的冷冻保存是我们要面对的下一个挑战。”泰勒说道。但他有一个清醒的认识:“没有任何一种低温保存技术可为细胞提供100%的生存率。对于某个器官来说,在冷冻保存和移植后,还要面对大量的损伤修复工作。”这意味着,无论冷冻样本保存得多好,都无法与即时获得的器官相提并论。

  冷冻技术前景再可观,与冷冻食品一样,终究还是新鲜的好。不过冷冻食品的确给我们带来了种种便利。未来的科技力量,或许也能让冷冻器官不再是难题,为我们进行各种器官移植提供便利。

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